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1、模块六气体传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模模块六块六 气气敏敏传传感器及其应用感器及其应用本模块主要学习气敏传感器的基本原理及其应用。 气敏传感器的种类、结构与原理； 气敏传感器的特性参数； 气敏传感器的的典型应用电路； 简易室内有害气体检测和报警电路的工作原理； 酒精测试仪电路的工作原理；知识点： 气敏传感器的选用； 简易室内有害气体检测和报警电路的设计、制作、调试； 酒精测试仪电路的设计、制作、调试；技能点： 本模块主要采用实训为主，讲授为辅的教学方式完成课程任务。教师主要是将项目的基本知识及关键
2、步骤跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行实训。在实训过程中，教师进行辅导及在项目完成后进行总结。教学法：项目说明项目说明分别采用MQ-2（可燃气体/烟雾）、MQ-4（天然气/甲烷）、MQ-5（液化气/甲烷/煤制气）、MQ-6（液化气/异丁烷/丙烷）；MQ-8（氢气/煤制气）作为敏感元件，设计制作一个简易室内有害气体检测和报警电路的设计，测试它们的气敏特性，并能控制继电器动作，发出声光报警。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计一、半导体气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度、成分的传感器。由于气体种类繁多。性质各不相同，不可能用一
3、种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气电转换的传感器种类很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。半导体气敏传感器利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种旁热式，旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之
4、间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计一、半导体气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度、成分的传感器。由于气体种类繁多。性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气电转换的传感器种类很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。半导体气敏传感器利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测
5、时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种旁热式，旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。1电阻型气敏器件电阻型气敏器件按结构可分为烧结型，薄膜型和厚膜型三种1）烧结型烧结型气敏电阻有直热式和旁热式两种结构如图6-1、6-2所示。 项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计2）薄膜型
6、薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片(玻璃石英式陶瓷)；焊接电极，之后采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。薄膜型器件结构图如图6-3所示。 项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计3）厚膜型厚膜型器件结构图如图6-4所示。 图6-4 厚膜型器件的结构以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200400，具体温度视所掺杂质不同而异。这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在低浓度
7、(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计2非电阻型气敏器件1）二极管气敏传感器这种传感器可用来检测氢气。2）MOS二极管气敏器件金属-氧化物-半导体(MOS)二极管的结构和等效电路如图6-5所示。 图6-5 金属-氧化物-半导体(MOS)二极管的结构和等效电路MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。项目项目一
8、一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。MQN型气敏电阻结构及测量电路如图6-6所示，气敏电阻外形如图6-7所示。 项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路
9、的设计计3半导体气敏元件的特性参数1）气敏元件的电阻值电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值。2）气敏元件的灵敏度（1）电阻比灵敏度（2）气体分离度（3）输出电压比灵敏度（4）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。（5）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。（6）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度，一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63%时所需时间。（7）初期稳定时间（8）气敏元件的加热电阻和加热功率项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害
10、气体检测和报警电路的设计计二、红外吸收式气敏传感器1测量原理光是由一系列单色光组成，红外光即是由一系列处于红外频率的单色光组成。大部分非对称双原子和多原子分子气体（如CH4、H20、NH3、C0、C2H2、SO2、NO和NO2等）在红外区都有自己特征频率的吸收频率。每种气体都有吸收自己对应频率红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。光线能量减弱的程度与气体浓度和光线在气体中经过的路程成比例，而这个关系服从朗伯一比尔定律。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计2优点分析1）选择性好2）不易受有害气体的影响而中毒、老化3）
11、响应速度快、稳定性好4）防爆性好5）信噪比高，使用寿命长、测量精度高6）应用范围广项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计三、简易室内有害气体检测和报警电路的设计简易室内有害气体检测和报警电路原理图如图6-9所示。正常情况下，即没烟雾等有害气体泄漏时，气敏元件MQ的电阻值很大，该电阻与R3和RP1组成分压电路，使IC1（NE555）的触发端（2脚）为低电平，输出端(3脚)输出高电平，继电器不吸合，不报警。当气敏元件检测到有害气体时（如：煤气、石油液化气、烟雾等）气敏器件的内阻减小，NE555的2脚电压升高，输出端3脚输出低电平，蜂鸣器和LED2得电发
12、出声光报警，同时继电器吸合，模拟风扇开始排风。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计 项目实施项目实施 一、简易室内有害气体检测和报警电路的绘制 使用Protel99se绘制完成图6-9所示的原理图。 二、元器件选择 项目一的元器件清单表如表6-1所示。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量IC1
13、集成电路LM555/DIP8 1R1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1k1R3电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1301R4电阻器碳膜电阻器，功率1/4W5.1k1RP1可调电阻 10k1LED1发光二极管5mm红 1LED2发光二极管5mm绿 1D1二极管1N4007 1S1峰鸣器5V 1K1继电器5V，2A 1MQ1气敏传感器MQ-2、MQ-4、MQ-5、MQ-6、MQ-8 5J1插座3.5mm 1J25V电源插座5V稳压电源 1表表6-1 项目一元器件清单表项目一元器件清单表 三、印刷电路板设计 使用Protel99se绘制的简易室内有害气体检测和报警电路的印刷电路板图如图6-10所示。项
14、目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计 四、电路调试 此电路相对简单，只要安装无误，就能正常工作，调试时待通电2-3分钟电路稳定后，将打火机或其他气源置于气敏传感器附近，调节RP使继电器动作，红灯亮，峰鸣器发出声响即可。分别接入MQ-2、MQ-4、MQ-5、MQ-6、MQ-8可测试不同气体的检测情况。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易室内有害气体检测和报警电路的设计计 项目拓展与评价 一、训练题目与要求 1利用多种气敏传感器，设计制作一个气体种类识别器，要求用35个LED表示气体种类。项目项目一一简易室内有害气体检测和报警电路的设简易
15、室内有害气体检测和报警电路的设计计 项目说明项目说明 设计制作一个酒精测试仪电路，要求用LED点亮的数目表示酒精浓度。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计 一、酒精检测的意义 从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。同时，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引起的。由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高，为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实
16、时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外，酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计二、酒精传感器的选择市面上用的最广的酒精传感器是MQ-3乙醇传感器。MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为： 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 快速的响应恢复特性 长期的寿命和可靠的稳定性 简单的驱动回路MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图6-11所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而
17、变化。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计传感器输出电压与酒精浓度关系：通过测量MQ-3输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图6-12所示。 图6-12 酒精浓度同输出电压的近似关系气敏传感器的外观和相应的结构形式如图6-13所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计图6-13中、分别表示MQ-3乙
18、醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计加热电压取交直流5V均可。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知Vout的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计三、酒精测试仪电路及工作原理酒精测试仪电路原理图如图6
19、-14所示。可测试饮酒者的醉酒程度。图6-15中采用对酒精有较高灵敏度的MQ-3型酒精传感器，LM3914是LED显示驱动集成电路。传感器的负载为电阻R1及可调电阻R2。当无酒精蒸气时，气敏电阻的阻值很大，负载获得的电压很低，即对外输出电压很低，LED不点亮；当有酒精蒸气时，随着酒精蒸气浓度的增加，气敏电阻值减小，其输出电压上升，则LM3914的LED（共10个）点亮数目也随着增加。测试时，人只要向传感器呼一口气，根据LED1LED10点亮的情况与数目可知是否喝酒，并可大致了解饮酒多少，确定被试者是否适宜驾驶车辆。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计项目二项目二 酒精测试仪电
20、路的设计酒精测试仪电路的设计项目项目实施实施一、酒精测试仪电路的绘制使用Protel99se绘制完成图6-14所示的原理图。二、元器件选择项目二的元器件清单表如表6-3所示。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量MQ1酒精传感器MQ-3 1IC1集成电路LM3914 1R1电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1.8K1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W2.7K1R3电阻器碳膜电阻器，功率1/4W3.9K4RP1电位器精密电位器20k1LED1LED5发光二极管5MM红色发光二极管 5LED
21、6LED10发光二极管5MM绿色发光二极管 5J15V电源插座5V稳压电源 1表表6-3 元器件清单表元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的酒精测试仪电路的印刷电路板图为单面板，如图6-15所示。图6-15（a）为元件面，图6-15（b）为焊接面。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计四、电路调试1在万能板上安装、焊接LM3914集成电路插座，将外围电阻元件与LED连接并焊接。2加上5V的直流电压，用万用表电压档测试LM3914集成电路插座的5脚电压，将装有酒精的小瓶瓶口靠近传感器，观察此电压的变化。4断开电源，插上LM3914集成电路，再将酒精瓶口靠近传感器，观察LED1LED10点亮的情况。反复将酒精瓶口靠近、远离传感器，观察LED1LED10的变化。项目拓展与评价一、训练题目与要求1利用单片机、LCD与MQ-3制作酒精浓度测试仪。项目二项目二 酒精测试仪电路的设计酒精测试仪电路的设计